Реферат: Универсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМ

Схема формирования сигнала сброс обеспечивает правильную последовательность сброса периферийных БИС и ОЭВМ. Сигнал сброс производит следующие действия: сбрасывает счетчик команд и указатель стека; устанавливает порт BUS в высокоимпедансное состояние, а порты Р1 и Р2 – на режим ввода; выбирает банк регистров 0 и банк памяти 0; запрещает прерывания; останавливает таймер и выдачу синхросигнала на вывод Т0; сбрасывает флаг переполнения таймера и флаг пользователя.

Регистр-защелка фиксирует байт адреса внешнего ЗУ, передаваемый по шине данных. Подключение БИС памяти программ и данных особенностей не имеет. Логическая схема условных переходов МК позволяет программе проверять не только признаки , но и условия, внешние по отношению к МК. По командам условного перехода в случае удовлетворения проверяемого условия в счетчик команд из второго байта команды загружается адрес перехода.

Линия запроса прерывания от внешнего источника проверяется каждый машинный цикл во время действия сигнала САВП. При обработки прерывания, как и при вызове подпрограмм содержимое счетчика команд и старшей тетрады ССП сохраняется в стеке.

Порт ввода/вывода BUS представляет собой двунаправленный буфер с тремя состояниями и предназначен для побайтного ввода, вывода или ввода/вывода информации.

4. Выбор элементной базы

Адаптер параллельного интерфейса построен на ИМС КР580ВВ55А, который обеспечивает стробированный и нестробированный ввод/вывод информации по параллельным каналам связи, сбор данных с внешних измерительных устройств и (или) управление исполнительными устройствами.

Микросхема КР580ВВ55А — программиру­емое устройство ввода/вывода параллельной информации, применяется в качестве элемен­та ввода/вывода общего назначения, сопря­гающего различные типы периферийных уст­ройств с магистралью данных систем обра­ботки информации. Условное графическое обозначение микро­схемы приведено на рис. 3. Назначение выводов приведено в таблице 2.

Обмен информацией между магистралью данных систем и микросхемой КР560ВВ55А осуществляется через 8-разрядный двунаправ­ленный трехстабильный канал данных (D). Для связи с периферийными устройствами ис­пользуются 24 линии вводам/вывода, сгруппи­рованные в три 8-разрядых канала ВА, ВВ, ВС, направление передачи информации, и ре­жимы работы которых определяются програм­мным способом.

Таймер построен на ИМС КР580ВИ53, он необходим для измерения временных интервалов (частоты, периода, длительности) или подсчета числа событий. Один из счетчиков микросхемы (нулевой) служит для задания тактовой частоты приемника и передатчика адаптера последовательного интерфейса.

Условное графическое обозначение представлено на рис.4.

Микросхема КР580ВИ53 — трехканальное программируемое устройство (таймер), пред­назначено для организации работы микропро­цессорных систем в режиме реального времени. Микросхема формирует сигналы с различными временными параметрами. Программируемый таймер (ПТ) реализован в виде трех независимых 16-разрядных кана­лов с общей схемой управления. Каждый ка­нал может работать в шести режимах. Про­граммирование режимов работы каналов осу­ществляется индивидуально и в произвольном порядке путем ввода управляющих слов в ре­гистры режимов каналов, а в счетчики—запро­граммированного числа байтов.

Управляющее слово определяет режим ра­боты канала, тип счета (двоичный или двоично-десятичный), формат чисел (одно- или двух­байтовый).

Обмен информацией с микропроцессором осуществляется по 8-разрядному двунаправленному каналу данных.

Контроллер клавиатуры и индикации обслуживает индикаторное табло, опрашивает органы управления или состояния датчиков. Контроллер построен на ИМС КР580ВВ79.

Микросхема КР580ВВ79 – программируемое устройство, может применяться и как самостоятельное устройство при выполне­нии требований, предъявляемых к электриче­ским и временным параметрам. Условное графическое обозначение представлено на рис.5.

Микросхема состоит из двух функциональ­но автономных частей: клавиатурной и дисп­лейной.

Клавиатурная часть обеспечивает ввод ин­формации в микросхему через «линии возвра­та» RET7—RETO с клавиатуры (клавиатурная матрица объемом 8 слое Х 8 разрядов с воз­можностью расширения до 4Х8 слов Х 8 раз­рядов) и матрицы датчиков (8 слов Х 8 раз­рядов), а также ввод по стробирующему сиг­налу (8 слов Х 8 разрядов). Для хранения вводимой информации в микросхеме преду­смотрен обратный магазин — оперативное за­поминающее устройство (ОМ—ОЗУ) емкостью 8 байт Микросхема позволяет отображать инфор­мацию на всех известных в настоящее время типах дисплеев (дисплеи накаливания, со светоизлучающими диодами и др.).

Наличие выходной линии запроса прерыва­ния INT и режима чтения внутреннего состоя­ния позволяют использовать данную микро­схему в системах с прерыванием и последова­тельным опросом внешних устройств. Микро­схема допускает одновременное выполнение функций ввода/вывода и рассчитана по выводу INT на прямое подключение к шинам микропроцессоров КР580ВМ80А и КМ1810ВМ86.

			Характеристики ИМС: Рпотр=580 мВт: tвыбор=450 нс. Выводы: 12 – общий: 24 – питание.

Применение микросхемы КР580ВВ79 в си­стемах позволяет полностью освободить микропроцессор от операций сканирования кла­виатуры и регенерации отображения на дис­плее.

Регистр-защелка фиксирует байт адреса внешнего ЗУ. Регистр представлен ИМС КР580ИР82.

Микросхема КР580ИР82 — 8-разрядный адресный регистр, предназначе­н для связи микропроцессора с системной шиной; обладает повышенной нагрузочной способностью. Микросхема КР580ИР82 — 8-разрядный регистр-«защелка» без инвер­сии и с тремя состояниями на выходе.

Условное графическое обозначение микро­схем приведено на рис. 6.

Микросхема состоит из восьми одинаковых функциональных блоков и схе­мы управления. Блок содержит D-триггер-«защелку» и мощный выходной вентиль без инверсии или с инверсией. При помощи схе­мы управления производится стробирование записываемой информации и управление третьим состоянием мощных выходных вен­тилей.

Память программ строится на ИМС К573РФ2. К573РФ2 представляет собой многократное программируемое ПЗУ, выполненное по ЛИЗМОП технологии. Стирание записанной информации производится с помощью ультрафиолетового облучения. Емкость ИМС 573РФ2 составляет 2К*8 бит. Условное графическое обозначение микро­схемы приведено на рис. 7.

Индикация ПЗУ осуществляется с помощью микросхемы АЛС324Б. Данная ИМС представляет собой семисегментный цифровой индикатор, красного цвета свечения. Условное графическое обозначение представлено на рис. 8.

Схема контроля построена на ИМС К155ЛП5. Данная микросхема является логическим элементом «сложения по модулю 2». Условное графическое обозначение показано на рис. 9.

5. Описание схемы электрической принципиальной

Рассмотрим принцип работы ОЭВМ представляет собой систему функциональных блоков, связь между которыми осуществляется через единый системный канал обмена информацией. Скорость обмена данными по стандартному интерфейсу ИРПС составляет 75…960 Бод; длина линии связи – до 3 км, число проводов в линии – 4. интерфейс обладает высокой помехозащищенностью. МК насчитывает три канала по восемь линий ввода-вывода без стробирования или два канала по восемь линий со стробированием. Предусмотрено пять лини запросов прерываний.

ОЭВМ исполняет программу, записанную в памяти программ и формирует все необходимые сигналы управления обменом данными с внешним ОЗУ и периферийными БИС. Порты периферийных БИС адресуются как ячейки внешней памяти данных. Для разделения операций с памятью данных и портами используется разряд А10 адреса (вывод Р22 КР1816 ВЕ35). Внешние схемы тактового генератора и формирования сигнала «сброс» обеспечивают правильную последовательность сброса периферийных БИС и ОЭВМ. Регистр защелка фиксирует байт адреса внешнего ЗУ, передаваемых по шине данных.

ОЗУ активизируется при А10 – 0 и при наличии RD  или WR. Номер страницы ОЗУ  образуют разряды А8, А9 шины адреса МК, т.е. состояние выводов Р20, Р21 КР1816ВЕ35 в цикле обращения к ОЗУ. Схема управления внешними устройствами анализирует разряд адреса А10 и устанавливает сигналы IORD и IOWT с временными соотношениями, соответствующими ТУ на БИС серии 580.

Разряды шины адреса А0 и А1 выбирают порт внутри каждой периферийной БИС, разряды А2…А5 – кристаллы адаптера последовательного интерфейса, контроллера клавиатуры и индикации соответственно. Для этого в соответствующем разряде адреса должен быть сформирован сигнал Лог 0 (при А10=1), а остальные три разряда должны быть в состоянии Лог.1. При А10=1 и появлении 0 на более чем одном разряде А2…А5 во время операции чтения может возникнуть конфликт и сбой работы МК.

Адаптер последовательного интерфейса со схемами передатчика и приемника реализует интерфейс ИРПС для связи с внешней ЭВМ или устройством, имеющим аналогичный интерфейс.

Адаптер параллельного интерфейса КР580ВВ55 обеспечивает стробированный и нестробированный ввод-вывод информации по параллельным каналам связи, сбор данных с внешних измерительных устройств и (или) управление исполнительными устройствами.

Таймер необходим для измерения временных интервалов или подсчета числа событий. Один из счетчиков микросхемы служит для задания тактовой частоты приемника и передатчика адаптера последовательного интерфейса.

Контроллер клавиатуры и индикации обслуживает индикаторное табло, опрашивает органы управления или состояния датчиков.

Схема прерываний формирует из восьми входных сигналов запросов прерываний IR0…IR7 один сигнал запроса прерывания INT для процессора, причем назначения сигналов IR0…IR3 определены внутренними потребностями контроллера.

6. Описание диаграмм временных

Рассмотрим функционирование универсального одноплатного микроконтроллера на однокристальной ЭВМ по временным диаграммам, показанным в графической части лист 3, согласно схеме электрической принципиальной в графической части лист 1 Э3.

6.1. Описание диаграмм временных регистра адреса.

При высоком уровне сигнала STB и низком сигнала ОЕ микросхемы работают в режиме шинного формирователя:

информация на выходах Q повторяет­ся или инвертируется по отношению к вход­ной информации D. При переходе сигнала STB из состояния высокого уровня в состоя­ние низкого уровня происходит «защелкива­ние» передаваемой информации во внутрен­нем триггере, и она сохраняется до тех пор, пока на входе STB присутствует напряжение низкого уровня. В течение этого времени из­менение информации на входах D не влияет на состояние выходов Q. При переходе сигнала STB вновь в состояние высокого уровня состояние выходов приводится в со­ответствие с информационными входами D.

При переходе сигнала ОЕ в состояние вы­сокого уровня все выходы Q переходят в 3-е состояние независимо от входных сигна­лов STB и D. При возвращении сигнала ОЕ в состояние низкого уровня выходы Q, пе­реходят в состояние, соответствующее внут­ренним триггерам.

При обращении к внешнему устройству микропроцессор в начальный период цикла выполнения микрокоманды выдает на мест­ную шину адрес этого устройства, который передается на системную шину необходимым числом регистров КР580ИР82.

В качестве стробирующего сигнала исполь­зуется сиг­нал ALE контроллера шины КР1810ВГ88. Разрешение доступа к шине и отключение от нее (переход выходов в 3-е со­стояние) осуществляется с помощью сигнала AEN арбитра КР1810ВБ89.

6.2. Описание диаграмм временных блока ОЗУ.

7. Расчетный раздел

Расчет потребляемой мощности и быстродействия будет выполнен согласно схемы электрической принципиальной, показанной в графической части лист 1 Э3.

7.1. Расчет потребляемой мощности.

Для расчета потребляемой мощности были взяты исходные данные из справочной литературы [3,5,6,8]. Расчет потребляемой мощности выполняем по формуле

Рпотр=Iпотр * Uи.п.                                                   (7.1)

 где Iпотр – ток потребления;

               Uи.п. – напряжение источника питания.

Расчитаем значение потребляемой мощности всех элементов схемы электрической принципиальной по формуле:

           (7.2)

где Рпотр.1 –мощность, потребляемая ИМС D1.

Значенияпотребляемой мощности ИМС, и их количество указано в таблице 7.1.

7.2. Расчет быстродействия

Расчитаем быстродействие схемы, показаной в графической части лист 1 Э3 по самой «длинной» цепочке: D1, D2

Вычисление быстродействия осуществляется по формуле:

tбыстр = tздр.i + … + tздр.i+1                           (7.3)

где tздр.i – время задержки сигнала i-ой ИМС.

Из пункта 4 пояснительной записки выбираем значения времени задержки указанных микросхем и подставляем их в формулу (7.3)

8.  ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

Рассмотрим конструкцию универсального одноплатного микроконтроллера на однокристальной ЭВМ, показанной в графической, части лист   Э7. Разработка конструкции будет выполняться согласно схемы электрической принципиальной, показанной в графической части лист   Э3.

Микроконтроллер расположен на двухсторонней печатной плате размером 120*180 мм. Масса микроконтроллера - не более 0,8 кг. При описании конструкции необходимо рассмотреть основные характеристики материалов используемых при установлении печатной платы, а также осиновые моменты, которые необходимо учитывать при монтаже.

Шаг координатной сетки выбран в соответствии с ГОСТ 10317-79 и равен 1,25 мм, что согласуется с шагом позиций выводов корпусов ИМС. Класс точности изготовления печатных плат соответствует ГОСТ 23751-86, в данном случае 2-й класс, так как монтаж печатной платы с навесными дискретными элементами.

Основанием печатных плат служит фольгированный диэлектрик - стеклотекстолит. Изготовление печат­ных плат осуществляется комбинированным негативным методом. Для получения защитного рисунка используют метод фотопечати с негативным фоторезистом. Монтаж­ные отверстия необходимо сверлить сверлом диаметром 0,75мм. Так как печатная плата двухсторонняя, то связь между ИМС, дискретными элементами осуществляется с помощью металлизации отверстий (для контактных пло­щадок - поясок меди не менее 50мкм). Диаметр металлизированных отверстий равен 0,8мм.

Микросхемы на печатной плате располагаются ли­нейно - многорядно. Корпуса ИМС со штыревыми выво­дами устанавливаются только со стороны печатной пла­ты.

Монтаж производится с зазором 1-2мм. Величина выступающей части вывода с обратной стороны платы 0,5-1,5мм. Выводы дискретных элементов перед монта­жом формуются, лудятся и обрезаются. Монтаж осуществляется с помощью припоя ПОС61 ГОСТ 21931-76. Диаметр отверстий от 2мм до 3мм. Рас­стояние между корпусами дискретных элементов не ме­нее 1мм, расстояние между ними по торцу 1,5мм. Техни­ческие требования по объемному монтажу по ОСТ 410.054.

Для защиты от воздействия внешней среды печат­ную плату покрывают лаком УГ-231 ТУ6-10-263-84 С1-9 (толщина слоя 35-100 мкм).

Маркировать обозначение печатной платы и первых контактов разъема методом травления, остальное крас­кой ТИПФ-53 черная ТУ 79-02-889-79. Ширина линии 0,3мм, шрифт ПО-2 ГОСТ 293-62.

При эксплуатации устройства необходимо соблюдать следующие требования:

- недопустимо наличие теплового удара, попадание паров, что вызывает коррозию металла

- стараться не допускать воздействия вибрационных нагрузок и ударов, влекущих за собой разрушение конст­рукции.

- относительная влажность воздуха в рабочем со­стоянии должна быть не более 80%.

- запрещается эксплуатировать микроЭВМ в помещениях с химически активной средой.

- воздействии ударных нагрузок с ускорением 15g при длительности импульса от 10 до 15 мс и частоте от 80  до 120 ударов в минуту.

- не допускается вибраций, которые имеют частоту, совпадающую с частотой собственных колебаний устрой­ства.

Расстановка и крепление транспортной тары с упакованными ОЭВМ в транспортных средствах должны обеспечивать устойчивое положение транспортной тары и отсутствие ее перемещения во время транспортирования.

При транспортировании должна быть обеспечена защита транспортной тары с упакованной ОЭВМ от атмосферных осадков.

9. МЕТОДИКА ПРОВЕРКИ

Рассмотрим методику проверки универсального одноплатного микроконтроллера на однокристальной ЭВМ, схема электрическая принципиальная которого представлена в графической части, лист 2 ЭЗ.

Перед началом выполняемых работ необходимо произвести визуальный осмотр конструкции, убедиться в отсутствии механических повреждений печатной платы и элементов. Затем необходимо проверить правильность установки элементов в соответствии со схемой располо­жения, представленной в графической части лист 5 Э7. Убедиться в наличии заземления и исправности кабелей аппаратуры комплекса куда встроена ОЭВМ.

Убедившись в отсутствии выше указанных повреждений следует приступить к проверке основных техниче­ских характеристик микропроцессора.

Установить переключатели сетевого питания аппаратуры в положение, соответствующее отключенному состоянию. Подключите к сети 220В 50Гц с помощью кабелей сетевого питания аппаратуру комплекса. При отключенном разъеме системного канала микропроцессора  включите аппаратуру комплекса, проверьте ее работоспособность, а также значение питающих напряжений микропроцессор на соответствие допустимым отклонениям и затем отключите ее с помощью переключателей. Подключите микропроцессор в состав комплекса. Устранение дефектов монтажа, а также замену неисправных элементов необходимо производить маломощным паяльником, рассчитанным на напряжение не более 12В. Для защиты ИМС от статического электричества необходимо заземлить рабочий стол, паяльник, а также самого наладчика с помощью антистатического браслета.

При включении необходимо проверить время за­держки каждой микросхемы с помощью осциллографа С1-72. Это время должно соответствовать значениям времени задержки, указанным в пункте 4 пояснительной записки.

Затем с помощью мультиметра Ц4360 или аналогичного производится измерение потребляемого тока. Этот ток при напряжении питания +5В не должен принимать значения больше указанных в пункте 4 пояснительной записки.

После измерения параметров микросхем нужно про­верить правильность работы узлов с помощью осцилло­графа С1-70. Диаграммы снятые с блока ОЗУ и с регистра-заглушки должны соответствовать диаграммам, представленным в графической части лист 4 ДВ.

Правильно собранное устройство не требует на­стройки и начинает работать сразу после включения.

10.   ВЫВОД

Во время выполнения курсового проекта по схеме электрической функциональной я разработала схему электрическую структурную, представленную в гра­фической части лист 1 Э1, разработал схему электриче­скую принципиальную, показанную в графической части лист 2 ЭЗ. Разработка схемы электрической принципиальной также включала в себя разработку блока индикации состояния ПЗУ и системы контроля выборки ОЗУ. Затем на блок индикации и систему контроля были разработаны диаграммы временные, показанные в графической части лист 5, 6 ДВ.

По схеме электрической принципиальной были рассчитаны электрические параметры устройства. После выполнения расчетов были получены следующие значения:

После этого была разработана методика проверки работоспособности схемы электрической принципиальной. В завершение, на основании схемы электрической принци­пиальной, была разработана схема расположения эле­ментов, которая выполняется согласно описанию конст­рукции, в которую можно внести некоторые изменения:

1). Вместо ИМС серии К155 можно применить мик­росхемы серии К531, что увеличит быстродействие уст­ройства, но увеличит потребляемую мощность, или мик­росхемы серии К555, что уменьшит быстродействие уст­ройства, но уменьшит и потребляемую мощность.

2). Вместо двухсторонней печатной платы, основани­ем которой служит стеклотекстолит, можно использовать многослойные печатные платы, конструкция которой аналогична двухсторонней печатной плате.